Het analyseren van Mengen Inhomogeniteit in een microfluïdische apparaat door Microscale Schlieren Technique
Summary
Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.
Abstract
In deze paper, introduceren we het gebruik van microschaal schlieren techniek te meten mengen inhomogeniteit in een microfluïdische apparaat. Het microschaal Schlieren-systeem is opgebouwd uit een Hoffman modulatie contrast microscoop, die een gemakkelijke toegang tot de achterste brandvlak van de objectieflens verschaft door het verwijderen van de gleufplaat en het vervangen van de modulator met een meskant. Het werkingsprincipe van microschaal schlieren techniek is gebaseerd op het opsporen van lichte doorbuiging veroorzaakt door variatie van de brekingsindex 1-3. De afgebogen licht ofwel ontsnapt of wordt belemmerd door het scherp van de snede om een heldere of een donkere band te produceren, respectievelijk. Indien de brekingsindex van het mengsel varieert lineair met de samenstelling, de lokale verandering van de lichtintensiteit in het beeldvlak is evenredig met de concentratiegradiënt loodrecht op de optische as. De afbeelding micro-Schlieren geeft een tweedimensionale projectie van de verstoorde licht geproduceerd door drie-dimensionale inhomogeniteit.
Om kwantitatieve analyse bewerkstelligen beschrijven we een kalibratieprocedure twee vloeistoffen mengt in een T-microkanaal. Wij voeren een numerieke simulatie om de concentratie gradiënt in de T-microchannel die nauw samenhangt met het beeld corresponderende micro-schlieren verkrijgen. Ter vergelijking wordt een relatie tussen de grijswaarden uitlezingen van beeld het micro-schlieren en de concentratie gradiënten die in een microfluïdische inrichting opgesteld. Met behulp van deze relatie, we zijn in staat om het mengen van inhomogeniteit van het associate micro-schlieren te analyseren en aan te tonen het vermogen van microschaal schlieren techniek met metingen in een microfluïdische oscillator 4. Voor optisch transparante vloeistoffen microschaal Schlieren techniek een aantrekkelijk diagnoseapparaat momentane full-veld informatie die de driedimensionale aspecten van het mengproces blijft leveren.
Introduction
Fluid mixing is een belangrijk probleem dat wordt aangetroffen in vele industriële processen en biologische systemen. Met de opkomst van microfluidics, mengen in microschaal heeft gebracht veel aandacht vanwege de uitdaging verspreiding dominantie onder de massa mechanismen transport. Aangezien het ontwerpen van een effectieve micromixer vereiste kwantitatieve validatie, werden verschillende meetmethoden ontwikkeld 5-7. Niettemin, de driedimensionale structuur, gewoonlijk in efficiënte micromixers 5, vraagt om een nauwkeurigere representatie van de concentratieveld het gemeenschappelijk meettechnieken niet te leveren. Door het maximaal aantal kijkhoek 8 of reactiekinetiek 6, kan de hiervoor genoemde methoden misleidende resultaten die niet correct rekening met de homogeniteit van het mengsel te produceren.
Voor optisch transparante vloeistoffen mengen in optisch transparante microstructuren, microschaal schlieren techniek 3,9-14 </sup> biedt een aantrekkelijk alternatief voor analyse mengen inhomogeniteit. In het verleden heeft microschaal Schlieren techniek wordt meestal gebruikt om samendrukbare stroming 9-13, 15 of fase gradiënt 16 visualiseren. Microschaal Schlieren techniek profiteert van een eenvoudige optische layout en betere gevoeligheid mogelijk maakt niet alleen de niet-invasief onderzoek specifieke stroom kenmerk dat optische storing veroorzaken maar is geschikt voor toepassing bij de beoordeling mixing. In deze paper, bouwen we de microschaal schlieren systeem door het invoegen van een mes-edge in de rug brandvlak van de doelstelling van een microscoop, beschrijven een kalibratie procedure om kwantitatieve analyse te realiseren, en een validatie meetrapport in een microfluïdische oscillator 4. Metingen uitvoeren, worden de vloeistoffen geschikt gekozen dat de brekingsindex van de gemengde fluïda lineair varieert met de samenstelling en de dikte van het doel microfluïdische inrichting is identiek aan de aane gebruikt kalibratie. Bovendien concentratie species, kan microschaal Schlieren techniek worden uitgebreid tot de helling van andere scalaire grootheid die lineair samenhangt met de brekingsindex, zoals temperatuur of zoutgehalte meten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Voor vloeibare mengen in een microfluïdische inrichting microschaal schlieren techniek kan de grootte van concentratiegradiënt meten van kwantificerende verandering in lichtintensiteit. Door het principe van deze techniek is gebaseerd op het opsporen van de afwisseling van lichtpropagatie, de werkende vloeistoffen en het microfluïdische apparaat transparant voor het invallende licht. Bovendien, het protocol vereist een lineair verband tussen de brekingsindex van de oplossing en de samenstelling zodat de eerste beoord…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Ministerie van Wetenschap en Technologie van Taiwan onder Grant nummer 101-2221-E-002-064-MY3.
Materials
| Permanent Epoxy Negative Photoresist | MicroChem | SU-8 2150 | |
| single side polished silicon wafer | Light Technology | S4W1PP5SABUP1 | p-type, diameter: 100±0.5 mm, thickness: 525 ±25 mm, orientation: (1 0 0) |
| syringe pump | kdScientific | kds210 | |
| syringe, i.e. 10 ml | Terumo | SS-10L2138 | |
| Hoffman modulation contrast microscope | Leica Microsystems | DM IL LED | |
| 5X objective lens | Leica Microsystems | N PLAN | NA = 0.12 |
| knife-edge | custom made part | ||
| camera, i.e. high speed | Integrated Design Tools | NX7-S1 | |
| C-mount adapter HC 0.63x | Leica Microsystems | 541537 | |
| camera operating software | Integrated Design Tools | MotionPro X Studio 2.02.01 | |
| polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | Sylgard-184 silicone elastomer kit | |
| Teflon tubing, i.e. O.D. x I.D. 1/16 in. x 0.031 in. | Supelco | 58700-U | |
| micro glass slide | Matsunami Glass | S2215 | |
| hot plate | Yeong-Shin | HP-303DN | |
| distilled water, i.e. HPLC grade | Alps Chemicals | ||
| ethyl alcohol, i.e. reagent grade | Nihon Shiyaku Reagent | EA448652 | |
| image processing software | Mathworks | MATLAB R2009a | |
| computational fluid dynamics package | ESI group | CFD-ACE+ 2008 |
References
- Merzkirch, W. . Flow Visualization. , (1974).
- Settles, G. S. . Schlieren and Shadowgraph Techniques. , (2001).
- Sun, C. -. l., Hsiao, T. -. h. Quantitative analysis of microfluidic mixing using microscale schlieren technique. Microfluidics and Nanofluidics. 15 (2), 253-265 (2013).
- Sun, C. -. l., Sun, C. -. Y. Effective mixing in a microfluidic oscillator using an impinging jet on a concave surface. Microsystem Technologies. , (2011).
- Strook, A. D. Chaotic mixer for microchannels. Science. 295 (5555), 647-651 (2002).
- Wheat, P. M., Posner, J. D. Quantifying mixing using equilibrium reactions. Physics of Fluids. 21 (3), 037101 (2009).
- Liu, R. H. Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel. Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 190-197 (2000).
- Munson, M. S., Yager, P. Simple quantitative optical method for monitoring the extent of mixing applied to a novel microfluidic mixer. Analytica Chimica Acta. 507 (1), 63-71 (2004).
- Bradfield, W. S., Sheppard, J. J. Microschlieren-a technique for the study of details in compressible flow. Aero/Space Engineering. 5 (18), 37-56 (1959).
- Scroggs, S. D., Settles, G. S. An experimental study of supersonic microjets. Experiments in Fluids. 21, 401-409 (1996).
- Phalnikar, K. A., Alvi, F. S., Shih, C. . 31st AIAA Fluid Dynamics Conference & Exhibit. , (2001).
- Phalnikar, K. A., Kumar, R., Alvi, F. S. Experiments on free and impinging supersonic microjets. Experiments in Fluids. 44 (5), 819-830 (2008).
- Naughton, J. W., Bishop, D. S., Walrath, D. E., Lindberg, W. R. Micro-schlieren characterization of a high momentum micro-fluidic actuator. , (2002).
- Chen, H. -. M., Wu, H. -. W., Lee, J. -. N., Ting, C. -. C. . 23th National Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineers. , (2006).
- Davidson, G. P., Emmony, D. C. A schlieren probe method for the measurement of the refractive index profile of a shock wave in a fluid. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 13, 92-97 (1980).
- Xie, H. Schlieren confocal microscopy for phase-relief imaging. Optics Letters. 39, 1238-1241 (2014).
- Inoué, S., Spring, K. R. . Video Microscopy: The Fundamentals. , (1997).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Gray, M. H. B. Volume illumination for two-dimensional particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 11 (6), 809-814 (2000).
- Olsen, M. G., Adrian, R. J. Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry. Experiments in Fluids. 29 (1), S166-S174 (2000).
- Friend, J., Yeo, L. Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics. 4 (2), 026502 (2010).
- Wohlfarth, C., Lechner, M. D. Landolt-Börnstein: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. Optical Constants: Refractive Indices of Pure Liquids and Binary Liquid Mixtures (Supplement to III/38). 47, (2008).
- Heller, W. Remarks on refractive index mixture roles. Journal of Physical Chemistry. 69 (4), 1123-1129 (1965).
- Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).
- Dreher, S., Engler, M., Kockmann, N., Woias, P., Bockhorn, H., Mewes, D., Peukert, W., Warnecke, H. .. -. J. Theoretical and experimental investigations of convective micromixers and microreactors for chemical reactions. Micro and Macro Mixing: Analysis, Simulation and Numerical Calculation. , (2010).
- Huang, C. Y., Gregory, J. W., Sullivan, J. P. A Modified schlieren technique for micro flow visualization. Measurement Science & Technology. 18 (5), N32-N34 (2007).
- Tyn, M. T., Calus, W. F. Temperature and concentration dependence of mutual diffusion coefficients of some binary liquid systems. Journal of Chemicaland Engineering Data. 20 (3), 310-316 (1975).
- Celik, I. B. Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering. 130 (7), 078001 (2008).
- Tasić, A. &. #. 3. 8. 1. ;., Djordjević, B. D., Grozdanić, D. K., Radojković, N. Use of mixing rules in predicting refractive indices and specific refractivities for some binary liquid mixtures. Journal of Chemical and Engineering Data. 37 (3), 310-313 (1992).
- Hsiao, P. -. J., Chen, S. -. T., Hsiao, T. -. H., Sun, C. -. l. A comparison of coarse-resolution numerical simulation with experimental measurements of wind turbine aerodynamic performance. , (2013).
- Sun, C. -. l., Huang, C. -. Y. Microscale schlieren visualization of near-bubble mass transport during boiling of 2-propanol/water mixtures in a square capillary. Experiments in Fluids. 55 (7), 1778 (2014).
- Panigrahi, P. K., Muralidhar, K. . Schlieren and Shadowgraph Methods in Heat and Mass Transfer. , (2012).
